Neues Modell bietet potenzielle Lösungen für Next

Eine neue Studievon Forschern der Stanford University zeigt einen Weg für den Bau besserer und sichererer Lithium-Metall-Batterien auf.

Als enge Verwandte der wiederaufladbaren Lithium-Ionen-Zellen, die in tragbaren Elektronikgeräten und Elektroautos weit verbreitet sind, sind Lithium-Metall-Batterien als Energiespeicher der nächsten Generation vielversprechend. Im Vergleich zu Lithium-Ionen-Geräten speichern Lithium-Metall-Akkus mehr Energie, laden sich schneller auf und wiegen deutlich weniger.

Allerdings ist die kommerzielle Nutzung von wiederaufladbaren Lithium-Metall-Batterien bislang begrenzt. Ein Hauptgrund ist die Bildung von „Dendriten“ – dünnen, metallischen, baumartigen Strukturen, die wachsen, wenn sich Lithiummetall an den Elektroden im Inneren der Batterie ansammelt. Diese Dendriten beeinträchtigen die Batterieleistung und führen letztendlich zu Ausfällen, die in manchen Fällen sogar zu gefährlichen Bränden führen können.

Die neue Studie näherte sich diesem Dendritenproblem aus theoretischer Sicht. Wie in dem im Journal of The Electrochemical Society veröffentlichten Artikel beschrieben, entwickelten Stanford-Forscher ein mathematisches Modell, das die Physik und Chemie der Dendritenbildung zusammenführt.

Dieses Modell lieferte die Erkenntnis, dass der Austausch neuer Elektrolyte – das Medium, durch das sich Lithiumionen zwischen den beiden Elektroden innerhalb einer Batterie bewegen – mit bestimmten Eigenschaften das Dendritenwachstum verlangsamen oder sogar ganz stoppen könnte.

„Ziel unserer Studie ist es, als Leitfaden für das Design von Lithium-Metall-Batterien mit längerer Lebensdauer zu dienen“, sagte der Hauptautor der Studie, Weiyu Li, ein Doktorand im Bereich Energieressourcentechnik, der von den Professoren Daniel Tartakovsky und Hamdi Tchelepi gemeinsam betreut wird. „Unser mathematischer Rahmen berücksichtigt die wichtigsten chemischen und physikalischen Prozesse in Lithium-Metall-Batterien im entsprechenden Maßstab.“

„Diese Studie liefert einige spezifische Details über die Bedingungen, unter denen sich Dendriten bilden können, sowie über mögliche Wege zur Unterdrückung ihres Wachstums“, sagte der Co-Autor der Studie, Tchelepi, Professor für Energieressourcentechnik an der Stanford School of Earth, Energy & Umweltwissenschaften (Stanford Earth).

Experimentatoren sind seit langem bestrebt, die Faktoren zu verstehen, die zur Dendritenbildung führen, doch die Laborarbeit ist arbeitsintensiv und die Ergebnisse erwiesen sich als schwer zu interpretieren. Die Forscher erkannten diese Herausforderung und entwickelten neben anderen relevanten Mechanismen eine mathematische Darstellung der internen elektrischen Felder der Batterien und des Transports von Lithiumionen durch das Elektrolytmaterial.

Mit den Ergebnissen der Studie können sich Experimentatoren auf physikalisch plausible Material- und Architekturkombinationen konzentrieren. „Wir hoffen, dass andere Forscher diese Anleitung aus unserer Studie nutzen können, um Geräte zu entwickeln, die die richtigen Eigenschaften haben und die Bandbreite der experimentellen Versuch-und-Irrtum-Variationen, die sie im Labor durchführen müssen, reduzieren können“, sagte Tchelepi.

Zu den in der Studie geforderten neuen Strategien für das Elektrolytdesign gehört insbesondere die Verwendung anisotroper Materialien, das heißt, sie weisen in verschiedene Richtungen unterschiedliche Eigenschaften auf. Ein klassisches Beispiel für ein anisotropes Material ist Holz, das in Richtung der Maserung, sichtbar als Linien im Holz, stärker ist als gegen die Maserung. Im Fall anisotroper Elektrolyte könnten diese Materialien das komplexe Zusammenspiel zwischen Ionentransport und Grenzflächenchemie verfeinern und so die Bildung von Dendriten verhindern. Einige Flüssigkristalle und Gele weisen diese gewünschten Eigenschaften auf, vermuten die Forscher.

Ein weiterer in der Studie identifizierter Ansatz konzentriert sich auf Batterieseparatoren – Membranen, die verhindern, dass sich Elektroden an gegenüberliegenden Enden der Batterie berühren und kurzschließen. Es könnten neuartige Separatoren entwickelt werden, die über Poren verfügen, die dafür sorgen, dass Lithiumionen anisotrop durch den Elektrolyten hin- und herwandern.

Das Team freut sich darauf, zu sehen, wie andere wissenschaftliche Forscher die in ihrer Studie identifizierten „Hinweise“ weiterverfolgen. Zu den nächsten Schritten gehört die Herstellung realer Geräte, die auf experimentellen neuen Elektrolytformulierungen und Batteriearchitekturen basieren, und die anschließende Erprobung, welche sich als effektiv, skalierbar und wirtschaftlich erweisen könnten.

„Ein enormer Forschungsaufwand beschäftigt sich mit dem Materialdesign und der experimentellen Verifizierung komplexer Batteriesysteme, und im Allgemeinen haben mathematische Rahmenwerke wie das von Weiyu in diesem Bemühen weitgehend gefehlt“, sagte Co-Autor Tartakovsky, Professor für Energieressourcentechnik in Stanford.

Auf der Grundlage dieser neuesten Ergebnisse arbeiten Tartakovsky und seine Kollegen an der Konstruktion einer vollwertigen virtuellen Darstellung – eines sogenannten „digitalen Avatars“ – von Lithium-Metall-Batteriesystemen (DABS).

„Diese Studie ist ein wichtiger Baustein von DABS, einem umfassenden digitalen Avatar oder einer Nachbildung von Lithium-Metall-Batterien, der in unserem Labor entwickelt wird“, sagte Tartakovsky. „Mit DABS werden wir den Stand der Technik für diese vielversprechenden Energiespeicher weiter vorantreiben.“

– Diese Pressemitteilung wurde ursprünglich auf der Website der Stanford University veröffentlicht